سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن به‌عنوان یکی از راهکارهای اصلی برای دستیابی به سیستم‌های انرژی کم‌کربن و مقابله با تغییرات اقلیمی، توجه گسترده‌ای را به خود جلب کرده‌اند. این سوخت‌ها، با قابلیت سازگاری با زیرساخت‌های موجود و توانایی کاهش انتشار کربن دی اکسید، فرصت‌های بزرگی را برای صنایع مختلف از جمله حمل‌ونقل هوایی و کشتیرانی فراهم می‌کنند. با این حال، چالش‌های اقتصادی و فنی همچنان مانع از بهره‌برداری گسترده و تجاری از این سوخت‌ها شده است. این مقاله به بررسی پروژه‌های آینده، پیشرفت‌های فناوری، و ضرورت‌های سیاست‌گذاری برای پشتیبانی از تولید و استفاده از سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن می‌پردازد و به تحلیل تأثیر هزینه‌ها و اقدامات سیاستی بر توسعه این سوخت‌های پاک می‌پردازد.
سازگاری سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن با زیرساخت‌های موجود
سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن، اگرچه اغلب هزینه بیشتری دارند، اما یکی از مزایای بزرگ آن‌ها سازگاری با زیرساخت‌های فعلی برای سوخت‌های فسیلی است. با وجود اینکه هیدروژن تولید شده از طریق روش‌های معمول دارای چگالی انرژی حجمی پایینی است و چالش‌های جدی برای ذخیره و انتقال در مقایسه با سوخت‌های فسیلی ایجاد می‌کند، امکان تبدیل آن به سوخت‌های هیدروژنی و مواد اولیه نظیر متان مصنوعی، سوخت‌های مایع مصنوعی و آمونیاک وجود دارد. این مواد می‌توانند با زیرساخت‌های موجود حمل، ذخیره و توزیع شوند و حتی برخی هیدروکربن‌های مصنوعی به‌طور مستقیم می‌توانند جایگزین معادل‌های فسیلی شوند. البته این مزایا باید با هزینه‌های مرتبط و تلفات تبدیل سنجیده شوند.
در سال 2020، تعداد 81 پروژه آزمایشی و نمایشی در حال بهره‌برداری بودند که هیدروژن الکترولیتی را به سوخت‌های مختلفی از جمله متان مصنوعی، متانول مصنوعی، گازوئیل یا نفت سفید مصنوعی و آمونیاک تبدیل می‌کردند. بیشتر این پروژه‌ها در اروپا متمرکز شده بودند و در مقیاس نسبتاً کوچک برای نمایش فناوری‌ها و ایجاد زنجیره‌های تأمین کار می‌کردند.
ضرورت تأمین کربن دی اکسید برای سوخت‌های هیدروکربنی مصنوعی
برای تولید سوخت‌های هیدروکربنی مصنوعی، علاوه بر هیدروژن، نیاز به کربن دی اکسید به‌عنوان ورودی حیاتی وجود دارد. در مراحل اولیه، این کربن دی اکسید می‌تواند از منابع انتشار آلاینده‌های صنعتی که به سختی کاهش می‌یابند، تأمین شود. اما برای اطمینان از خنثی بودن کربن دی اکسید در طولانی‌مدت، این گاز باید از نیروگاه‌های زیستی یا به‌طور مستقیم از جو جذب شود. نمونه‌هایی از این پروژه‌ها شامل Power2Met در دانمارک است که کربن دی اکسید را از ارتقا بیوگاز به دست می‌آورد و کارخانه Troia در ایتالیا که از جذب مستقیم کربن دی اکسید از هوا برای تولید متان مصنوعی استفاده می‌کند. جزئیات این پروژه‌ها و تاریخ شروع آن‌ها در شکل بالا نشان داده شده‌اند.
انتظار می‌رود که چندین پروژه که برای سال‌های آینده برنامه‌ریزی شده‌اند، به مقیاس تجاری برسند. یکی از این پروژه‌ها، پروژه هارو-اونی در شیلی است که به تولید متانول اختصاص دارد. این پروژه با ظرفیت الکترولیز 2 گیگاوات، توان تولید سالانه 550 میلیون لیتر را دارد و تا سال 2026 به این هدف خواهد رسید. پروژه Helios Green Fuels در عربستان سعودی نیز با ظرفیت الکترولایزر بین 1.5 تا 2.0 گیگاوات، قادر به تولید سالانه 235 تن هیدروژن و 1.2 میلیون تن آمونیاک خواهد بود.
تمرکز بسیاری از پروژه‌های در دست ساخت یا برنامه‌ریزی‌شده، از تولید متان مصنوعی به سمت تولید سوخت‌های مایع مصنوعی مانند آمونیاک، متانول، و سوخت‌های فیشر-تروپش تغییر کرده است. این سوخت‌ها بیش از 90 درصد پروژه‌های آینده را تشکیل می‌دهند و نشان می‌دهند که سوخت‌های مایع مبتنی بر هیدروژن می‌توانند مسیری کلیدی برای کربن‌زدایی از حمل‌ونقل‌های راه دور، از جمله حمل‌ونقل هوایی و کشتیرانی باشند. پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که در سناریوی انتشار خالص صفر تا سال 2050، آمونیاک 45 درصد از تقاضای سوخت کشتیرانی را تامین می‌کند و نفت سفید مصنوعی یک سوم مصرف جهانی سوخت هواپیما را به خود اختصاص می‌دهد.
اقتصاد و سیاست‌های حمایتی سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن
اقتصاد تولید سوخت‌های آمونیاک پاک و هیدروکربن‌های مصنوعی به عوامل متعددی بستگی دارد، اما هزینه تولید هیدروژن از جمله کلیدی‌ترین آن‌هاست. هزینه‌های ذخیره‌سازی کربن دی اکسید و قیمت‌های سوخت‌های فسیلی بر هزینه کلی تولید هیدروژن با استفاده از فناوری‌های جذب، ذخیره و استفاده از کربن تأثیر می‌گذارند. برای مسیرهای مبتنی بر هیدروژن الکترولیتی، در دسترس بودن برق کم‌هزینه و کم‌کربن عاملی حیاتی به شمار می‌رود.
علاوه بر این، دسترسی به کربن دی اکسید و هزینه آن از دیگر عوامل مهم برای تولید سوخت‌های هیدروکربنی مصنوعی است. هزینه کربن دی اکسید در حال حاضر از 30 دلار در هر تن (از کارخانه‌های اتانول) تا 150-450 دلار در هر تن (برای جذب مستقیم از هوا) متغیر است. با توسعه فناوری‌های جذب مستقیم از هوا، انتظار می‌رود که این هزینه‌ها تا سال 2050 به 70-240 دلار در هر تن کاهش یابد. با خوراک کربن دی اکسید بین 30 تا 150 دلار در هر تن، هزینه تولید سوخت‌های مایع مصنوعی بین 15 تا 75 دلار در هر بشکه خواهد بود.
در حال حاضر، هزینه تولید سوخت‌های مایع هیدروکربنی مصنوعی از هیدروژن الکترولیتی بین 300 تا 700 دلار در هر بشکه است. با کاهش هزینه‌های برق تجدیدپذیر، الکترولیز و جذب مستقیم از هوا، این هزینه‌ها می‌توانند تا سال 2050 به محدوده 120-330 دلار در هر بشکه برسند؛ با این حال، این هزینه‌ها هنوز بسیار بالاتر از سوخت‌های فسیلی معمولی است. وضعیت تولید متان مصنوعی نیز مشابه است.
برای ترویج استفاده از این سوخت‌های کم‌کربن در بخش‌هایی از سیستم انرژی که گزینه‌های دیگری وجود ندارد، مانند حمل‌ونقل هوایی و کشتیرانی در مسافت‌های طولانی، سیاست‌های حمایتی ضروری است. این سیاست‌ها می‌توانند شامل افزایش هزینه سوخت‌های فسیلی یا مشوق‌هایی برای استفاده از سوخت‌های کم‌کربن باشند، به‌عنوان مثال، استانداردهای سوخت پاک. برای پر کردن شکاف هزینه با نفت سفید فسیلی که 25 دلار در هر بشکه قیمت دارد، قیمت کربن دی اکسید باید بین 230 تا 750 دلار در هر تن باشد. برای ارائه سوخت‌های مایع مصنوعی با قیمت 120 تا 330 دلار در هر بشکه، اقدامات مشابهی لازم است. شکل بالا این هزینه‌ها را برای آمونیاک، متان مصنوعی و سوخت‌های مایع مصنوعی در سناریوی انتشار خالص صفر در سال‌های 2020، 2030 و 2050 نشان می‌دهد.
جمع‌بندی
سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن نقش کلیدی در انتقال به انرژی‌های پاک و کاهش انتشار کربن دی اکسید ایفا می‌کنند. با وجود اینکه پروژه‌های آزمایشی و نمایشی در حال پیشرفت به سمت مقیاس تجاری هستند و فناوری‌های جدید مانند تولید آمونیاک پاک و سوخت‌های مایع مصنوعی به سرعت در حال توسعه‌اند، چالش‌های اقتصادی از جمله هزینه بالای هیدروژن و دسترسی به کربن دی اکسید همچنان پابرجا هستند. برای ترویج استفاده از این سوخت‌ها در بخش‌هایی که گزینه‌های کم‌کربن محدودی دارند، سیاست‌های حمایتی و استانداردهای سوخت پاک ضروری خواهند بود. با پیشرفت فناوری و کاهش هزینه‌ها، امید می‌رود که سوخت‌های مبتنی بر هیدروژن به‌عنوان راهکاری پایدار برای کربن‌زدایی سیستم‌های انرژی، به‌ویژه در حمل‌ونقل راه دور، جایگزین سوخت‌های فسیلی شوند و در مسیر دستیابی به اهداف انتشار خالص صفر نقش مهمی ایفا کنند.
